基于PLC技術的空氣壓縮機監控系統

賈 帥

（大同煤礦集團鐵峰煤業有限公司，山西朔州 037200）

0 引言

煤礦空氣壓縮機作為井下風動工具用以輸送高壓氣體，以滿足井下采煤現場的使用[1-2]。為滿足開采需求，現今井下所使用的壓縮機處于不停機、不間斷的運行狀態，然而井下每時所需要的風量不一樣[3-4]，使得壓縮機易處于空載或輕載的運行狀態，既加重了設備的損耗，也造成了能源的浪費[5-6]。目前的煤礦空氣壓縮機自動化程度不能滿足發展需求，而且當前的系統存在難維修、難擴展新功能等問題[7-8]。針對上述問題，本文設計一套空氣壓縮機監測系統，可以根據井下開采的用風量對壓縮機進行全面監測與控制，有效實現在超溫、過流、過載等環境下的機器保護，提升工作效率。

1 空氣壓縮機系統方案

1.1 功能需求

煤礦空氣壓縮機常工作于井下惡劣環境中，為保障能穩定、安全、高效運行，在設計監控系統時需滿足以下要求。

（1）實時監測運行狀態。空氣壓縮機監控系統是建立在對設備運行參數有良好采集的基礎上進行，需要合理地采用并布置傳感器，準確地對數據收集，將數據傳輸給主控器進行計算與分析，生成最優的控制策略來控制設備的穩定運行。

（2）實時分析運行狀態。空氣壓縮機監控系統利用采集各項監測數據，對數據進行協調管理與分析，精準判別設備的運行狀態，并可以對其進行提前故障診斷，設置有預警功能，最大限度地提高空氣壓縮機的安全性與穩定性。

（3）精準控制設備運行。安全、穩定、高效是空氣壓縮機監控系統本質需求，在此基礎上所設計的控制系統要能合理控制空氣壓縮機的平穩啟動、設備保護、故障診斷與預警、遠程控制等，從而最大程度提高設備的自動化水平。

1.2 監控系統

本文設計的煤礦空氣壓縮機監控系統分為3 層結構，分別是地面監控管理層、網絡傳輸層、井下現場監控層。這三層之間的工作方式采用分布式控制結構，具有上級、下級系統層次結構，上級計算機負責整體系統監測與控制，下級計算機負責執行局部系統監測控制，兩部分之間的通訊采用以太網的形式就行傳輸，最大化地提高系統的可靠性。地面監控管理層主要由地面監控中心、服務器、計算機、路由器等硬件組成；網絡傳輸層采用以太網進行傳輸，并通過交換機將井上設備與井下設備通信相連接，提高傳輸的穩定性與可靠性；井下現場監控層主要由井下不同位置的監控分站組成，這些分站具有對開關量信號、模擬量信號的采集、識別、處理、顯示、監測、控制等功能。

2 硬件設計

2.1 監控分站

井下監控分站負責現場壓縮機的實時監控，它的運行狀態關乎整個系統的穩定運行。圖1 所示為監控分站硬件結構圖，整個監控分站主要由中央處理器、信號采集單元、傳輸通信單元、存儲單元、變頻器組、顯示單元等外部設備組成。中央處理單元是整個監控系統的中樞，它通過現場信號采集單元所監測的數據進行實時計算、邏輯處理、判別，再發出對變頻器發出控制信號，實現對現場空壓機的等設備的運行監控。這些數據同時經以太網傳輸至地面監控中心調用，實現整個系統的管控使用，最終完成系統故障診斷、故障報警、故障處理、數據顯示等功能。因井下設備的工作環境受強電磁干擾、溫差大影響、振動劇烈等影響，所以對井下監控分站中設備的選型具有較高的可靠性、穩定性。

圖1 監控分站硬件結構圖

2.2 主控制器

井下監控分站中核心單元便是主控制器，它負責機組內空氣壓縮機的監測與控制。主控制器主要負責對各傳感器采集的信息進行識別、分析、計算等綜合處理，實現控制信號的輸出，驅動變頻器對空壓機進行控制，故所選型的主控制器需要滿足：具有強大的數據采集與分析能力；具有強大的數據通信能力以完成就地通信和遠程通信功能；具有強大的運算能力，實現數據的實時計算與處理；具有較高的可靠性與穩定性，以適應井下惡劣的工作環境。故綜合考慮后本系統選用西門子系列的S7-300，它可以滿足所設計功能需求。

2.3 電源模塊

電源的選型需要對電流、功率損耗進行設計，但同時需要對其滿足一定的裕量，故本系統采用西門子PS307 電源模塊，它的標準型號為6ES7307-1EA00-0AA0，輸出電壓為DC24 V，輸出電流5 A，具有可靠的防爆隔離特性、防短路、開路保護等功能。

2.4 數據采集與處理

監控系統對空氣壓縮機運行參數的采集主要包括輸入輸出模塊、溫度傳感器、壓力傳感器、電信號傳感器、變送器等器件，系統采集框圖如圖2所示，系統的數據采集與處理通過井下現場監控分站對空氣壓縮機運行各種參數在一定周期內依次采集，傳輸至主控器進行處理，從而實現數據的實時顯示、計算、查詢、故障分析與報警、控制等功能。本系統中，采用的采樣周期為30 ms，即每30 ms 對系統參數進行一次采樣，并將登錄信息、診斷信息、故障信息等數據記錄在數據庫中。

圖2 系統數據采集框圖

3 軟件設計

系統對空氣壓縮機監控的軟件系統主要是實現對電壓電流、風壓、溫度等數據的采集、數據發送與接收、數據通信、故障診斷與報警、數據顯示、壓縮機的監控等功能。圖3所示為軟件系統主流程圖，首先完成硬件的初始化，主要包括系統時鐘、中斷向量、串口設置、SPI 串行外設等初始化。其次完成操作系統的初始化，網絡通信的初始與調用，此時系統可以對系統內存、數據結構等進行使用。系統完成初始化后便創建數據采集任務、通訊任務、故障預警任務、數據界面顯示任務等監控任務，根據任務的重要性主控器分配任務優先級、任務堆棧大小等信息。

圖3 系統主流程圖

4 結束語

本文通過對煤礦空氣壓縮機監控所需功能需求進行分析，重點解決空氣壓縮機的傳統監測的弊端，設計一套煤礦空氣壓縮機監控系統。該系統采用分布式三層結構，即地面監控管理層、網絡傳輸層、井下現場監控層。井下監測分站，對空氣壓縮機的電壓、電流、風壓、溫度等信息進行監測采集，并通過井下監控分站的計算與處理，再通過以太網傳輸至地面監控中心完成整個系統的監控。該系統實現了井下空氣壓縮機的自動化監控，提高了生產效率，具有較高的實用價值。